Light Scattering Effects in Transparent Wood Biocomposites
Tid: Fr 2022-02-25 kl 10.00
Plats: F3, Lindstedtsvägen 26 & 28, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fiber- och polymervetenskap
Respondent: Hui Chen , Biokompositer, Wallenberg Wood Science Center
Opponent: Professor Mikael Sjödahl,
Handledare: Professor Lars Berglund, Biokompositer, VinnExcellens Centrum BiMaC Innovation, Wallenberg Wood Science Center; Associate Professor Ilya Sychugov, Fotonik; Docent Max Yan, Fotonik
QC 2022-01-26
Abstract
Transparent trä (TW) har intressanta optiska egenskaper och erbjuder ett hållbart alternativ till petroleumbaserade polymerer. Förståelsen för inverkan av mikrostruktur hos TW (t.ex. fiberinriktning, volymandel av cellulosa, ligninhalt, defekter från beredningsprocessen) på de optiska egenskaperna är ofullständig, vilket begränsar dess användning i olika tillämpningar. Det gäller också generellt för transparenta cellulosabiokompositer. I denna avhandling studeras miljövänliga TW biokompositer, med fokus på experimentell karakterisering, samband mellan struktur och optiska egenskaper samt möjligheterna att kvantifiera sådana samband.
TW baserade på delignifierade träsubstrat har i denna studie trädets fiberriktning parallell med provytan. Samband mellan anisotrop ljusspridning och fiberorientering studeras genom mätning av spridningsvinkel. Anisotropa fotonfördelningar jämförs mellan två fiberriktningar och olika provtjocklekar. Därefter erhålls koefficienter för ”attenuering” (försvagning), som är relaterade till de anisotropa diffusionskoefficienterna och absorptionskoefficienten för TW. De bestäms genom att kombinera en modell för fotondiffusion med mätningar av total optisk transmittans. Resultaten indikerar en stark påverkan på ljusspridningen av luftspalter mellan träsubstrat och polymer i lumen, som är en form av debondsprickor. Utöver debondsprickor mellan träsubstrat och polymer, så påverkas ljusspridningen även av skillnaden i brytningsindex mellan polymer och träsubstrat. Av det skälet utvecklas en metod för att mäta brytningsindex hos träsubstratet. Det porösa substratet sänks ned i en vätska med känt brytningsindex och optisk transmittans mäts och kombineras med en modell för ljustransmission baserad på fresnelreflektion. Goda data för träsubstratets brytningsindex underlättar vid formgivning av TW biokompositer (dvs. rätt polymerval för olika applikationer) och är också viktigt för modellering av de optiska egenskaperna hos transparenta material från delignifierat trä. I avhandlingens sista del kombineras en modell för ljusdiffusion med systematiska mätningar av ljusspridning, reflektion och transmittans hos olika materialprover. Data för ”extinktionskoefficienter”, Rayleigh-spridning och absorptionskoefficienter kan bestämmas, liksom hela fotonbudgeten för materialet. Med högre volymfraktion av cellulosa ökar värdena för alla dessa parametrar, även om skillnaden i brytningsindex mellan polymer och cellulosa är den dominerande faktorn som styr transmittansen. Den starka ljusspridningen framåt (”haze”) i TW analyseras, och även Rayleighspridningen har en stor effekt på ljusspridning. Ligninhaltens inverkan på absorptionskoefficienten diskuteras också.